หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ

คำอธิบายเกี่ยวกับหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ รวมถึงการทำงาน ประเภทและประโยชน์ รวมทั้งสรุปสั้นๆ เกี่ยวกับวิธีการนำไปใช้ในการผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม

หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ

หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำแตกต่างจากหม้อไอน้ำแบบเปลือกตรงที่น้ำไหลเวียนภายในท่อ โดยมีแหล่งความร้อนล้อมรอบ อ้างอิงสมการแรงกดตามรัศมี (สมการ 3.2.1) จะเห็นได้ง่ายว่าเนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเล็กกว่ามาก จึงสามารถรับแรงดันที่สูงกว่ามากสำหรับความเค้นเดียวกัน หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำใช้ในการใช้งานโรงไฟฟ้าที่ต้องการ:

• ผลผลิตไอน้ำสูง (สูงถึง 500 kg/s)
• ไอน้ำแรงดันสูง (สูงถึง 160 bar)
• ไอน้ำร้อนจัด (สูงถึง 550°C) อย่างไรก็ตาม หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำยังผลิตในขนาดที่แข่งขันกับหม้อไอน้ำแบบเปลือกได้ หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำขนาดเล็กอาจผลิตและประกอบเป็นหน่วยเดียว เหมือนหม้อไอน้ำแบบเปลือกแพ็คเกจ ขณะที่หน่วยขนาดใหญ่มักผลิตเป็นส่วนๆ สำหรับประกอบในสถานที่ หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำจำนวนมากทำงานตามหลักการไหลเวียนน้ำตามธรรมชาติ (เรียกอีกอย่างว่า ‘thermosiphoning’) เป็นหัวข้อที่ควรกล่าวถึงก่อนดูหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำประเภทต่างๆ รูปที่ 3.3.2 ช่วยอธิบายหลักการนี้:
• น้ำป้อนที่เย็นกว่าถูกป้อนเข้า drum ไอน้ำหลังฉากกั้น ซึ่งที่นี่ เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำเย็นสูงกว่า จะไหลลงใน ‘downcomer’ ไปยัง drum ล่างหรือ ‘mud’ drum แทนที่น้ำอุ่นขึ้นไปในท่อด้านหน้า
• การให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องสร้างฟองไอน้ำในท่อด้านหน้า ซึ่งแยกออกจากน้ำร้อนใน drum ไอน้ำตามธรรมชาติ และถูกนำออก อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันในหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำเพิ่มขึ้น ความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของน้ำและไอน้ำอิ่มตัวลดลง ดังนั้นการไหลเวียนเกิดน้อยลง เพื่อรักษาระดับผลผลิตไอน้ำเท่าเดิมที่แรงดันออกแบบสูงกว่า ระยะห่างระหว่าง drum ล่างและ drum ไอน้ำต้องเพิ่มขึ้น หรือต้องมีวิธีการไหลเวียนแบบบังคับ ส่วนต่างๆ ของหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ พลังงานจากแหล่งความร้อนอาจถูกสกัดเป็นรังสีหรือการนำและการพาความร้อน ส่วนเตาเผาหรือส่วนรังสี เป็นพื้นที่โล่งที่รองรับเปลวเพลิงจากหัวเผา หากเปลวเพลิงสัมผัสท่อหม้อไอน้ำโดยตรง จะเกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงและท่อจะเสียหายในที่สุด ผนังส่วนเตาเผาบุด้วยท่อครีบเรียก membrane panels ออกแบบเพื่อดูดซับความร้อนรังสีจากเปลวเพลิง

ส่วนการพาความร้อน

ส่วนนี้ออกแบบเพื่อดูดซับความร้อนจากก๊าซร้อนโดยการนำและการพาความร้อน หม้อไอน้ำขนาดใหญ่อาจมีท่อหลายชุด (เรียก pendants) ต่อกัน เพื่อดึงพลังงานสูงสุดจากก๊าซร้อน การระบุประเภทหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำมักจำแนกตามลักษณะเฉพาะ ดูตาราง 3.3.1

รูปแบบหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำทางเลือก

รูปแบบต่อไปนี้ทำงานตามหลักการเดียวกับหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำอื่นๆ และมีให้เลือกตั้งแต่ 5 000 kg/h ถึง 180 000 kg/h หม้อไอน้ำ drum ตามยาว หม้อไอน้ำ drum ตามยาวเป็นประเภทเดิมของหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำที่ทำงานตามหลัก thermo-siphon (ดูรูปที่ 3.3.5) น้ำป้อนที่เย็นกว่าถูกป้อนเข้า drum ที่วางตามยาวเหนือแหล่งความร้อน น้ำเย็นไหลลงตามท่อหมุนเวียนด้านหลังเข้าท่อเอียงหลายท่อ เมื่ออุณหภูมิน้ำเพิ่มขึ้นผ่านท่อเอียง น้ำเดือดและความหนาแน่นลดลง จึงหมุนเวียนน้ำร้อนและไอน้ำขึ้นท่อเอียงเข้าท่อหมุนเวียนด้านหน้าที่ป้อนกลับเข้า drum ใน drum ฟองไอน้ำแยกออกจากน้ำและไอน้ำถูกนำออก กำลังการผลิตทั่วไปสำหรับหม้อไอน้ำ drum ตามยาวอยู่ระหว่าง 2 250 kg/h ถึง 36 000 kg/h

หม้อไอน้ำ drum ขวาง

หม้อไอน้ำ drum ขวางเป็นรูปแบบหนึ่งของหม้อไอน้ำ drum ตามยาว โดย drum วางขวางแหล่งความร้อนตามที่แสดงในรูปที่ 3.3.6 drum ขวางทำงานตามหลักการเดียวกับ drum ตามยาว ยกเว้นว่าจะทำให้อุณหภูมิสม่ำเสมอกว่าข้าม drum อย่างไรก็ตามมีความเสี่ยงต่อความเสียหายจากการไหลเวียนที่ผิดพลาดที่ภาระไอน้ำสูง หากท่อบนแห้ง อาจร้อนเกินไปและเสียหายในที่สุด หม้อไอน้ำ drum ขวางยังมีข้อดีเพิ่มเติมในการรองรับท่อเอียงจำนวนมากขึ้นเนื่องจากตำแหน่งขวาง กำลังการผลิตทั่วไปสำหรับหม้อไอน้ำ drum ขวางอยู่ระหว่าง 700 kg/h ถึง 240 000 kg/h

หม้อไอน้ำท่อดัดหรือ Stirling

การพัฒนาเพิ่มเติมของหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำคือหม้อไอน้ำท่อดัดหรือ Stirling ตามที่แสดงในรูปที่ 3.3.7 ทำงานตามหลักการอุณหภูมิและความหนาแน่นของน้ำเช่นกัน แต่ใช้ drum สี่ตัวในรูปแบบต่อไปนี้ น้ำป้อนที่เย็นกว่าเข้า drum ซ้ายบน ซึ่งไหลลงเนื่องจากความหนาแน่นที่สูงกว่า ไปยัง drum ล่างหรือ drum น้ำ น้ำภายใน drum น้ำและท่อเชื่อมต่อไปยัง drum อีกสองตัวด้านบนถูกให้ความร้อน และฟองไอน้ำที่ผลิตขึ้นลอยขึ้นสู่ drum บนซึ่งไอน้ำถูกนำออก

หม้อไอน้ำท่อดัดหรือ Stirling อนุญาตให้มีพื้นที่ถ่ายเทความร้อนขนาดใหญ่ รวมทั้งส่งเสริมการไหลเวียนน้ำตามธรรมชาติ

ข้อดีของหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ:

• มีปริมาณน้ำน้อย จึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงภาระและการป้อนความร้อนอย่างรวดเร็ว
• ท่อและ drum ไอน้ำขนาดเล็กหมายความว่ารับแรงดันไอน้ำที่สูงกว่าได้มาก และใช้ได้ถึง 160 bar ในโรงไฟฟ้า
• การออกแบบอาจรวมหัวเผาหลายตัวในผนังด้านใดก็ได้ ให้ตัวเลือกการยิงแนวนอนหรือแนวตั้ง และความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิในส่วนต่างๆ ของหม้อไอน้ำ สิ่งนี้สำคัญเป็นพิเศษหากหม้อไอน้ำมี superheater ในตัวและอุณหภูมิของไอน้ำร้อนจัดต้องถูกควบคุม

ข้อเสียของหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ:

• ไม่เรียบง่ายเท่าหม้อไอน้ำแบบเปลือกในการผลิตเป็นรูปแบบแพ็คเกจ หมายความว่าต้องทำงานในสถานที่มากขึ้น
• ตัวเลือกหัวเผาหลายตัวให้ความยืดหยุ่น แต่หัวเผา 30 ตัวขึ้นไปที่ใช้ในโรงไฟฟ้าหมายความว่าระบบควบคุมที่ซับซ้อนเป็นสิ่งจำเป็น

โรงผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม (CHP)

หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำที่อธิบายข้างต้นมักมีกำลังการผลิตขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม หม้อไอน้ำกู้คืนความร้อนพิเศษขนาดเล็กที่ใช้ร่วมกับโรงกังหันก๊าซภาคพื้นดินมีความต้องการเพิ่มขึ้น มีโรงผลิตไอน้ำจากกังหันก๊าซภาคพื้นดินหลายประเภท:

• ระบบผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม ระบบเหล่านี้นำก๊าซไอเสียร้อนจากกังหันก๊าซ (ประมาณ 500°C) ผ่านหม้อไอน้ำ ที่ผลิตไอน้ำอิ่มตัวและใช้เป็นสาธารณูปโภคของระบบ การใช้งานทั่วไปสำหรับระบบเหล่านี้อยู่ในระบบที่ความต้องการไฟฟ้าและไอน้ำเป็นไปในทิศทางเดียวกันและในสัดส่วนที่เหมาะกับระบบ CHP

ประสิทธิภาพอาจถึง 90%

• ระบบวัฏจักรร่วม เป็นส่วนขยายของระบบ CHP โดยไอน้ำอิ่มตัวถูกส่งผ่าน superheater เพื่อผลิตไอน้ำร้อนจัด superheater อาจให้ความร้อนแยกเพราะอุณหภูมิไอเสียกังหันก๊าซค่อนข้างต่ำ ไอน้ำร้อนจัดที่ผลิตได้ถูกส่งไปยังกังหันไอน้ำที่ขับเครื่องปั่นไฟเพิ่มเติมและผลิตไฟฟ้า ช่วงการเปลี่ยนแปลงของระบบเหล่านี้ไม่ดี เพราะกังหันต้องหมุนด้วยความเร็วที่ซิงโครไนซ์กับความถี่ไฟฟ้า หมายความว่าจะเป็นไปได้จริงเฉพาะการเดินเครื่องเต็มภาระ จัดหาภาระพื้นฐานของไอน้ำให้ระบบ เนื่องจากอุณหภูมิไอเสียกังหันก๊าซค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับเปลวหัวเผาในหม้อไอน้ำทั่วไป จึงต้องการพื้นที่ถ่ายเทความร้อนของหม้อไอน้ำมากกว่าสำหรับภาระความร้อนที่กำหนด นอกจากนี้ ไม่จำเป็นต้องจัดที่สำหรับหัวเผา ด้วยเหตุผลเหล่านี้ หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำมักให้ทางออกที่ดีกว่าและกะทัดรัดกว่า เนื่องจากประสิทธิภาพเป็นปัจจัยหลักสำหรับผู้ตัดสินใจ CHP การออกแบบหม้อไอน้ำเหล่านี้อาจรวม economiser (เครื่องให้ความร้อนน้ำป้อน)